縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縱軸,水稻,聯(lián)合收割機(jī),脫離,系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)
縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
THE STRUCTURE DESIGN OF VERTICAL TYPE AXIAL FLOW RICE COMBINE HARVESTER THRESHING SYSTEM
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
年級專業(yè)及班級：
指導(dǎo)老師及職稱： 教授
學(xué) 院：
湖南·長沙
提交日期：20 年 月
設(shè)計(jì)
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1緒論 2
1.1課題研究的意義 2
1.2國內(nèi)外的聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)研究狀況 2
1.3研究內(nèi)容 4
1.4研究方法 5
1.5本章小結(jié) 6
2脫粒裝置整體方案的確定 6
2.1脫粒裝置簡介 6
2.1.1脫粒裝置的基本脫離原理 6
2.2本章小結(jié) 9
3主要零部件選擇 9
3.1零部件的設(shè)計(jì) 9
3.1.1脫粒裝置的選擇 9
3.2本章小結(jié) 14
4主要零部件設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
4.1脫粒滾筒的設(shè)計(jì) 14
4.2凹板的設(shè)計(jì) 15
4.3脫粒間隙的設(shè)計(jì) 16
4.4復(fù)脫機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
4.4.1復(fù)脫下攪龍的設(shè)計(jì) 17
4.5本章小結(jié) 19
5傳動設(shè)計(jì)及其校核 20
5.1傳動裝置總體設(shè)計(jì) 20
5.2確定傳動裝置的傳動比和鏈條長度 20
5.3軸的設(shè)計(jì)與校核 24
5.3.1脫粒滾筒軸設(shè)計(jì)與校核 24
5.4本章小結(jié) 29
6結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致謝 31
縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要:本文簡述了國內(nèi)、外聯(lián)合收割機(jī)的研究現(xiàn)狀和典型脫粒分離裝置的工作原理。通過查閱資料了解水稻的農(nóng)藝、形態(tài)參數(shù)。通過對比方式選擇出釘齒-柵格凹板-頂蓋導(dǎo)向板脫粒分離的方式的效果最佳。并且采用縱置脫離滾筒，在不改變機(jī)體體積的條件下能夠加長滾筒長度，增加脫粒和分離時間。這種縱置式軸流脫粒與分離裝置工作時谷物留作空間螺旋運(yùn)動，脫粒柔和且工作時間長，脫粒和分離比較充分，在脫凈率、破碎率、分離率等都優(yōu)于切流。為了減少脫粒損失，此脫粒系統(tǒng)還增加了復(fù)脫機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⑽疵摿Ｍ耆乃腩^通過它再次輸送到脫粒滾筒再次脫粒，大大提高了脫粒效率。
本課題的研究為知道實(shí)際生產(chǎn)，提高軸流脫粒分離裝置的性能以及降低成本提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:水稻 ; 縱置式軸流脫粒; 復(fù)脫; 理論依據(jù)
The Structure Design of Vertical Type Axial Flow Rice Combine Harvester Threshing System
Abstract: This article describes the research status at home and aboard of combine-harvester and working principle of typical threshing separating device.Through looking up materials about agronomy and morphological parameters of rice, I think the most effective way is the spike tooth-grid concave-header guiding plate threshing separation by comparison.The device is equipped with longitudinal separating drum which can lengthen the drum and increasing the threshing and separation time. When the vertical axial flow threshing and separating installation are working, grain is in a spiral movement. It separates softly , works in long hours and threshes and separates fully. So it is better than shear flow in the threshing rate, broken rate and separating rate. In order to reduce the loss of threshing, the threshing system adopt the re-threshing mechanism which greatly improves the efficiency of threshing. This mechanism can convey the incomplete threshing ear to the threshing drum again.
The purpose of this research is to guide the actual production process, improve the performance of axial flow threshing and separating device and provide a theoretical basis on reducing the cost.
Key words: Rice ; Vertical type axial flow threshing ; Re-threshing ; Theoretical basis
1 緒論
1.1 課題研究的意義
目前國內(nèi)生產(chǎn)的水稻聯(lián)合收割機(jī)基本上都采用橫向布置的軸流滾筒脫粒裝置，這種布置方式結(jié)構(gòu)緊湊，在喂入量較小時作業(yè)性能也不錯。但由于脫離滾筒橫向布置，受空間位置的限制，脫粒滾筒不能太長，因此，這類收割機(jī)普遍存在以下問題：一是由于脫離滾筒較短，脫粒和分離能力受到限制 ，在喂入量稍大時夾帶損失會增大；二是對潮濕作物和一些較困難的作物適應(yīng)性較差。
隨著水稻種植面積的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量的提高，對聯(lián)合收割機(jī)的動力，工作性能，作業(yè)效率，可靠性等要求越來越高。要提高收割機(jī)的生產(chǎn)率，收割機(jī)的脫粒長度與分離面積就要增大，因此，在盡量減少體積增大的前提下，提高聯(lián)合收割機(jī)的工作效率，可靠性、對作物的適應(yīng)性和清潔度已經(jīng)成為收割機(jī)行業(yè)的主要課題。
縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒裝置采用縱向布置脫粒滾筒[11]，可以在不增大機(jī)體的情況下加大脫粒滾筒長度和分離面積。與橫向軸流式聯(lián)合收割機(jī)相比，它的脫粒系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：一是可以提高生產(chǎn)效率、脫凈率和減少破碎率；二是作物適應(yīng)性廣，對潮濕作物和難脫粒作物效果也較好。
1.2 國內(nèi)外的聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)研究狀況
滾筒—凹板脫粒原理早在兩個多世紀(jì)以前已經(jīng)出現(xiàn)，至今這一原理幾乎沒有什么變化，遺忘的研究主要集中于脫粒部件的機(jī)械參數(shù)對脫粒性能的影響方面，目的是使脫粒部件具有最高效率。
kolganov（1956）研究了脫粒過程，據(jù)他的研究，對一種谷物，籽粒從穗頭上脫下來的過程與滾筒圓周速度之間存在著一定的關(guān)系，Kolganov認(rèn)為，滾筒圓周速度和穗頭上脫粒所需的功的平方根有關(guān)。脫粒速度為17-34米/秒，這個速度必須低于籽粒的破碎臨界速度，以免破碎。
高元恩（1976）研究了單紋桿滾筒脫粒裝置和三種雙滾筒脫粒裝置，得出：秸草中夾帶籽粒損失是限制聯(lián)合收割機(jī)生產(chǎn)效率提高的關(guān)鍵。
王成芝、葛永久等于1980年前后對軸流滾筒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研制出一臺大型軸流滾筒試驗(yàn)臺，目的是探究軸流滾筒的合理結(jié)構(gòu)與參數(shù)。該試驗(yàn)臺滾筒型式有三種紋桿葉片式、釘齒葉片式和釘齒式，凹板選用橫柵式、單柵式、雙柵式和三柵式，上蓋具有不同導(dǎo)向板高度和導(dǎo)程參數(shù)，可以組成多組參數(shù)進(jìn)行對比試驗(yàn)。
萬金保、趙學(xué)篤、紀(jì)春千（1990）進(jìn)行了傳統(tǒng)型紋桿滾筒脫粒裝置數(shù)學(xué)模型的建立及應(yīng)用研究。為建立數(shù)學(xué)模型他們將脫粒裝置的工作過程分為兩個階段，第一個階段是籽粒被脫粒，第二階段，被脫粒的籽粒隨莖稈運(yùn)動，并隨機(jī)的從凹板處柵格的某處分離出來。他們認(rèn)為籽粒在凹板上任何位置處被脫?；蚍蛛x是隨機(jī)的。
梅田翰雄（1992）對日本聯(lián)合收割機(jī)的脫粒裝置進(jìn)行了分析與研究，分析了谷物在脫粒室中的運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)測量了谷物的抗繞剛度、質(zhì)量和振動特性，結(jié)果是，谷物的固有頻率小于脫粒元件的沖擊頻率，也分析了隨脫粒元件的運(yùn)動枝梗的運(yùn)動，結(jié)論是由于摩擦力作用，脫粒中穗頭沿垂直于脫粒滾筒軸線方向運(yùn)動。分析討論了谷物和稻谷的撞擊過程后，在將稻谷和脫粒元件假設(shè)為兩個球的條件下，分析討論了谷物和脫粒元件的撞擊過程，計(jì)算了撞擊力，給出了數(shù)學(xué)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論。運(yùn)用可靠性工程方法，分析了脫粒過程，用兩項(xiàng)分布描述了脫粒概率，用Weibull描述了凹板下谷粒的分布規(guī)律。運(yùn)用反饋理論描述了脫離機(jī)的動力系統(tǒng)。對動力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，使脫粒機(jī)動力系統(tǒng)特性的預(yù)測成為可能。
張金海、都麗萍1994年也對脫粒部件數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，在作物在脫粒室內(nèi)脫粒的機(jī)會均等，且脫下的籽粒量與未脫粒量成正比，被脫籽粒在脫粒室內(nèi)的任何一處，被分離的可能性相等，且被分離的籽粒量與脫粒室的自由籽粒量成正比。
薛方期1998對切流式脫粒分離部件實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析研究，得出：1.不同直徑的滾筒在線速度、脫粒間隙的情況下對破碎率有影響，但其影響比打擊數(shù)、脫粒間隙等因素要小；2.增加凹板包角，改變柵格間距是提高脫粒性能的有效途徑；3.適當(dāng)加大凹板入口第2、3格的間距，即可增加凹板的分離率，也不會降低脫粒性能，是提高凹板分離率的一種有效途徑。
尹文慶、何瑞銀、王耀華等1999年設(shè)計(jì)了一個脫粒裝置，并且用該裝置對小麥脫粒特性的測量和表示進(jìn)行了研究，認(rèn)為可用谷粒分離率沿凹板變化規(guī)律的函數(shù)來表示小麥的脫粒特性，提出了一個新的小麥脫粒特性的表示方法。
衣淑娟等2005年在縱置釘齒式軸流試驗(yàn)臺上[4]，進(jìn)行了脫粒試驗(yàn)，目的是研究脫出物在滾筒軸向的分布規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明脫出物沿軸向分布受籽粒分布影響最大；籽粒沿軸向分布規(guī)律是，在20cm處為最高值，然后逐步下降，降到100cm的位置時，就幾乎沒有籽粒分布了，同時對縱置單軸流滾筒脫粒與分離裝置功耗性能試驗(yàn)研究，得出結(jié)論是它的功耗影響最顯著地因素是滾筒轉(zhuǎn)速：各個因素及其交互作用對其功耗主要影響為喂入量與導(dǎo)向板導(dǎo)角；各因素水平間的最佳組合工藝是：喂入量為2kg/S,滾筒轉(zhuǎn)速為700r/min，導(dǎo)向板導(dǎo)角為45°。
李耀明，周金芝，徐立章等2005年采用紋桿、鋸齒性滾筒和柵格沖孔式組合的脫粒分離裝置進(jìn)行脫粒分離試驗(yàn)[8]。
脫粒分離裝置有三大主要部件[2]：脫粒滾筒凹板和頂蓋它們對脫粒性能的影響主要表現(xiàn)在：1.脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)形式，脫粒元件及其排列方式，滾筒的轉(zhuǎn)速以及脫離滾筒和凹板、頂蓋的組合形式；2.凹板的形式，凹板包角；3.頂蓋中的導(dǎo)向板的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向板的排列及其螺旋角。
近年來人們對脫粒分離系統(tǒng)裝置做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，希望用新的脫粒分離裝置來代替原有的脫粒分離裝置。盡管如此，目前常用的脫粒分離裝置仍為紋桿式、釘齒式和弓齒式等，它們可能有不足之處，必須系統(tǒng)地總結(jié)和分析前人已經(jīng)作的工作，在這個基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)新的脫粒分離裝置。
1.3 研究內(nèi)容
脫粒裝置[6]是水稻聯(lián)合收割機(jī)的重要工作部件，它的功用是將谷粒與其禾桿分離，并且將脫下來的谷粒部分或全部從脫出物（谷物脫粒后有谷粒、長莖稈、短莖稈、穎殼和混雜物等組成的混合物）分離出來。谷物的脫粒方式又很多種，依照所學(xué)所獲設(shè)計(jì)出縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)的脫粒系統(tǒng)。
脫粒分離裝置有三大主要部件：脫粒滾筒、凹板和頂蓋導(dǎo)向板，它們對脫粒性能的影響主要表現(xiàn)在：（1）脫離滾筒的結(jié)構(gòu)形式，脫粒元件及其排列方式，滾筒的轉(zhuǎn)速以及脫離滾筒和凹板、頂蓋導(dǎo)向板組合形式；（2）凹板的型式，凹板包角；（3）頂蓋中的導(dǎo)向板的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向板的排列及其螺旋角等。在這三大部件中脫粒滾筒是核心部件。今近年來人們對脫粒分離裝置做了大量的試驗(yàn)和研究，希望用心的脫粒方式代替原來的脫粒分離裝置。
因此現(xiàn)在的脫粒分離裝置要向一下方面發(fā)展[9]：1.在保證良好性能的前提下，向高效、大功率、大喂入量方向發(fā)展，以提高生產(chǎn)率；2.新型復(fù)脫分離裝置的研究，以減少脫粒損失，降低脫粒損傷和降低能耗為目標(biāo)，是現(xiàn)代谷物聯(lián)合收割機(jī)主要的發(fā)展趨勢；3.新材料和先進(jìn)制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用使脫粒分離裝置的性能更好，可靠性更高；4.向擴(kuò)大機(jī)器的通用性和提高適應(yīng)性發(fā)展；5.提高操縱、調(diào)節(jié)、更換的靈活、快捷、方便性；6.向智能化發(fā)展。
1.4 研究方法
研究的方法可以用下面一幅流程圖來表示：
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[17] 設(shè)計(jì)任務(wù)書
↓
技術(shù)文件1： ←系統(tǒng)原理方案及確定→ 原理方案試驗(yàn)
系統(tǒng)工作原理 ↓
↓
功能分析
↓
技術(shù)文件2： 功能求解：初步形成物料流、能量流→關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證
主要部件工作原理圖 ←及信息方案
↓
機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，分系統(tǒng)
及總成選配，接口設(shè)計(jì)
↓
技術(shù)文件3：方案評審報(bào)告←方案評審
↓
技術(shù)文件4：總體設(shè)計(jì)報(bào)告←總體布置設(shè)計(jì)
技術(shù)文件5：總體布置圖 ↓
↓
工程設(shè)計(jì)→設(shè)計(jì)評審
↓
測試→測試實(shí)驗(yàn)
↓
調(diào)制調(diào)試→調(diào)試結(jié)果
↓
設(shè)計(jì)任務(wù)完成
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個環(huán)節(jié)就是總體設(shè)計(jì)，要有系統(tǒng)的原理方案構(gòu)想，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)，主要參數(shù)的確定，總體方案的評價與決策。因此，研究方法是相當(dāng)重要的，用得恰當(dāng)會事半功倍。
1.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了國內(nèi)外學(xué)者對聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合了目前聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)存在的問題，闡述了研究的目的及其意義，并給出了主要研究內(nèi)容和研究方法。
2 脫粒裝置整體方案的確定
2.1 脫粒裝置簡介
2.1.1 脫粒裝置的基本脫粒原理
脫粒裝置的基本脫離原理有以下幾種[24]：
1、碾壓脫粒：靠脫粒元件對谷穗施加壓力使谷粒脫粒，作用在谷粒上的力主要沿谷粒表面的法線方向，使谷粒與穗軸之間形成剪切破壞，同時也存在沿谷粒表面的切向力也起脫粒作用。
2、梳刷脫粒：將谷穗通過排列較密的脫粒元件的縫隙，靠脫粒元件對谷粒施加拉力和沖擊力將其脫粒。
3、沖擊脫粒：靠脫粒元件與谷物穗頭之間相互沖擊使谷物脫粒。
4、振動脫粒：利用脫粒元件對谷物施加高頻振動進(jìn)行脫粒。
5、揉搓脫粒：靠脫粒元件對谷物及谷物之間的相互揉搓進(jìn)行脫粒，主要是切向力。
不過無論何種機(jī)械脫粒裝置進(jìn)行脫粒時都不是單一原理，都是采用多種脫粒原理綜合應(yīng)用。
2.1.2 脫粒裝置的種類
聯(lián)合收割機(jī)脫粒分離裝置的種類按照不同的分類方式又一下幾種[26]：
1、根據(jù)作物喂入脫粒裝置的情況可分為半喂入式脫粒分離裝置和全喂入式脫粒分離裝置兩大類。
2半喂入式脫粒裝置根據(jù)工作滾筒和作物相應(yīng)位置不同可分為倒掛輸送側(cè)脫、平移輸送上脫和平移輸送下脫三種脫粒方式。
3、全喂入式脫粒分離裝置根據(jù)喂入作物沿滾筒的運(yùn)動方向可分為切流式、軸流式及其組合方式。
4、按脫粒元件的形式脫粒分離裝置可分為：紋桿式、釘齒式、弓齒式、齒板式、板齒式[22]等，以及不同脫粒元件的組合式。
2.1.3 脫粒裝置的選擇
通過對不同脫粒裝置的組合方式的理論研究：大多都是以滾筒—凹板的脫粒組合方式，但針對于我研究的這種縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)，能夠在不改變機(jī)體體積的情況下增長脫粒滾筒的長度，因此加長了脫粒和分離的時間。為了讓碎矸和秸稈順暢的排出，在脫條粒滾筒頂蓋加上導(dǎo)向條，呈螺旋分布，因此脫粒裝置的模型就為脫粒滾筒—凹板—頂蓋導(dǎo)向條。
在脫粒過程中大家都會想到脫粒損失，為了盡可能地減少這種為脫凈的脫粒損失，在此脫粒系統(tǒng)中增加復(fù)脫結(jié)構(gòu)，它是將未脫粒完全的谷穗從復(fù)脫槽中通過復(fù)脫下攪龍軸上的攪龍水平輸送到脫復(fù)脫刮板處，通過刮板輸送到復(fù)脫上攪龍軸端，再由它的攪龍輸送到脫粒滾筒再次脫粒，提高脫粒效率。
1. 整個脫粒系統(tǒng)我們可以用一張簡圖來表示：
1.輸入軸 2.脫粒滾筒 3.復(fù)脫上攪龍 4.復(fù)脫刮板 5.主攪龍 6.垂直攪龍短介軸 7.復(fù)脫下攪龍 8.垂直攪龍
9.脫粒滾筒軸 10.復(fù)脫短介軸11.主攪龍軸 12.付攪龍軸
圖1 縱軸流式水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)
1. Input shaft 2.Threshing cylinder 3.Re-threshing on the auger 4.Re-threshing off scrape
5. Main auger 6.Vertical auger short referral axis 7.Re-threshing under the auger
8. Vertical auger 9.Threshing cylinder shaft 10.Re-threshing short-mediated axis
11.Main auger shaft 12.Pay auger shaft
Fig.1 Vertical type axial flow rice combine harvester threshing system
2.工作示意圖：
輸入軸 → 脫粒滾筒
↓（傳動） （傳動） ↑（再次脫粒）
付攪龍軸 復(fù)脫上攪龍
↑（復(fù)脫結(jié)構(gòu)）
↓（輔助輸送稻谷） 復(fù)脫下攪龍軸
↑（傳動換向）
主攪龍 → 復(fù)脫短介軸
↓（傳動） （傳動）
垂直攪龍（將稻谷輸送至儲糧倉）
3.動力輸送流程：
從1輸入軸左端大皮帶輪（含離合裝置）接入動力,7脫粒滾筒軸通過一對錐齒輪進(jìn)行垂直方向上的動力輸送，1輸入軸的右端安裝鏈輪與5付攪龍軸右端的鏈輪連接傳遞動力，5付攪龍右端另一個鏈輪與4主攪龍右端的鏈輪連接傳遞動力，主攪龍左端安裝鏈輪與垂直攪龍的短介軸的左端連接傳遞動力，并且8復(fù)脫短介軸通過一對錐齒輪與9垂直攪龍連接傳遞垂直動力，由于3復(fù)脫下攪龍的轉(zhuǎn)動方向要符合它與復(fù)脫上攪龍間的10復(fù)脫刮板轉(zhuǎn)動方向，因此，不能同向傳遞動力，需要一對齒輪改變轉(zhuǎn)動方向。由此引入2復(fù)脫短介軸，其端頭安裝鏈齒輪，將動力換向傳遞，復(fù)脫下攪龍的左端安裝鏈輪，并且與復(fù)脫上攪龍左端的鏈輪連接傳遞動力，在傳遞鏈條上安裝刮板，因此完成所有動力的傳遞。
4.各個零部件的功能：
輸入軸：將電動機(jī)的動力傳遞給各個下級運(yùn)動的軸上，還能進(jìn)行動力離合。左端有大皮帶輪和離合裝置，中間配合錐齒輪，它由左右兩節(jié)結(jié)合而成，右端安裝多排鏈輪，將動力傳遞給風(fēng)機(jī)軸、付攪龍軸、輸送槽輸入軸。
付攪龍軸：連接輸入軸的右端鏈輪輸入動力，輔助主攪龍輸送稻谷。
主攪龍軸：右端連接付攪龍軸的右端鏈輪輸入動力，通過攪龍將脫機(jī)箱體底部的稻谷輸送到垂直攪龍下端，主攪龍的左端伸出箱體左端，并且安裝鏈輪，連接垂直攪龍短介軸。還將右端動力傳遞給復(fù)脫短介軸反轉(zhuǎn)。
垂直攪龍：通過一對錐齒輪與垂直短介軸嚙合，將主攪龍輸送過來的稻谷垂直輸送至儲糧倉。
垂直攪龍短介軸：連接主攪龍軸與垂直攪龍軸。
復(fù)脫短介軸：連接主攪龍軸與復(fù)脫下攪龍軸，傳動反向。
復(fù)脫下攪龍軸：右端鏈輪齒輪與復(fù)脫短介軸上的鏈齒輪嚙合輸入動力，攪龍將未脫粒完全的谷穗輸送至其左端。
復(fù)脫上攪龍軸：左端鏈輪與復(fù)脫下攪龍軸左端的鏈輪相連輸入動力，將復(fù)脫下攪龍輸送過來的未脫粒完全的稻穗輸送只脫粒滾筒。
復(fù)脫刮板：將復(fù)脫下攪龍軸左端的未脫粒完全的稻穗刮向復(fù)脫上攪龍。
脫粒滾筒：將稻谷與穗桿進(jìn)行脫粒。
2.2 本章小結(jié)
本章主要對聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)進(jìn)行簡述，列出了不同的脫粒原理與方式，并且通過組合對比選擇出所要研究的脫粒系統(tǒng)。介紹了主要零部件及其功能，還對整體動力輸入設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3 主要零部件選擇
3.1 零部件的設(shè)計(jì)
3.1.1 脫粒裝置的選擇
脫粒滾筒上脫粒元件的排列方式以及脫粒間隙是影響脫粒性能的重要指標(biāo)[5][7]，首先要做理論分析，設(shè)計(jì)出滾筒上安裝脫粒元件的最好空間排列，一般采用螺旋排列，為了加強(qiáng)分離效果，在脫粒滾筒下端安裝凹板，凹板的結(jié)構(gòu)有柵格式、沖孔篩式和編織篩式等類型，以柵格式凹板的分離效果最好。還有一個要考慮的就是排草，因此將螺旋導(dǎo)板裝在圓柱形脫粒滾筒式脫粒裝置的頂蓋內(nèi)，引導(dǎo)作物以適當(dāng)?shù)乃俣妊貪L筒軸向運(yùn)動。由于滾筒喂入端容易出現(xiàn)堵塞，在脫粒滾筒喂入端設(shè)計(jì)一個脫粒滾筒喂入攪龍，將輸送槽輸送過來的稻穗向脫粒滾筒。由脫粒滾筒—凹板—頂蓋導(dǎo)向條組成脫粒系統(tǒng)[3]。
圖2 凹板的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 Ｃoncave
設(shè)計(jì)出的脫粒裝置可以由下面的簡圖表示：
1.脫粒滾筒喂入攪龍 2.脫粒滾筒端板 3.頂蓋 4.釘齒 5.擊禾桿 6.連接塊 7.導(dǎo)向條
8. 柵格式凹板篩
圖3 脫粒滾筒—凹板—頂蓋導(dǎo)向條的結(jié)構(gòu)示意圖
1. Feeding auger 2.End plate of threshing cylinder 3. Cover 4. Spike-tooth 5. Strike straw
6.Connection block 7.Guide bars 8.The gate format concave sieve plate
Fig.3 Threshing cylinder-concave-head cover
它的工作流程：首先稻穗有脫粒滾筒左端喂入，在1脫粒滾筒喂入攪龍的輸送下將稻穗送至脫粒滾筒，稻穗在脫粒滾筒和頂蓋上的導(dǎo)向條作用下沿軸向作螺旋運(yùn)動，時受到反復(fù)的沖擊與搓擦進(jìn)行脫粒。谷粒、穎殼和雜草等通過8凹板篩孔分離，秸稈由另一端沿軸向排出。
脫粒滾筒由滾筒端板、連接塊、擊禾桿、釘齒、中間加強(qiáng)圈、打草板、摔草片及摔草片加強(qiáng)筋等組成。喂入攪龍?bào)w由左端防草圈、錐形體和攪龍葉片組成。凹板由橫格板和篩條構(gòu)成，篩孔面積占凹板的40%—70%，篩孔面積越大，分離能力越高，但過大則滑下未脫凈的斷穗增多。導(dǎo)向條由圓柱形頂蓋安裝螺旋導(dǎo)向條。
為了更清晰的表示脫粒裝置和原理，從側(cè)面附加一張圖：
1.凹板 2.脫粒滾筒 3.擊禾桿 4.連接塊 5.釘齒 6.頂蓋 7.導(dǎo)向條
圖4 脫粒滾筒—凹板—頂蓋導(dǎo)向條示意圖
1.Intaglio 2.Threshing cylinder 3.Strike straw 4.Connection block 5.Spike-tooth 6.Cover 7.Guide bars
Fig.4 Threshing cylinder-concave-head cove
圖5 釘齒在擊禾桿上的螺旋排列示意圖
Fig.5 The spiral of spike-tooth
1. 喂入攪龍?bào)w防草圈 2.攪龍葉片 3.錐形攪龍?bào)w 4攪龍端板套
圖6 喂入攪龍?bào)w機(jī)構(gòu)示意圖
1. The feeding auger anti grass circle 2.Auger blade 3.Tapered auger body
4.To stir Long end plate sets
Fig.6 The screw feeder feeding
3.1.2 復(fù)脫機(jī)構(gòu)的選擇
復(fù)脫機(jī)構(gòu)的脫粒裝置的輔助機(jī)構(gòu)，它能夠提高脫粒效率。它由復(fù)脫短介軸、復(fù)脫上攪龍、復(fù)脫下攪龍和復(fù)脫刮板組成。工作時由復(fù)脫短介軸傳動換向并且輸入動力，復(fù)脫下攪龍將復(fù)脫攪龍槽里的為脫凈的稻穗輸送到攪龍的另一端，在復(fù)脫下攪龍的另一端通過鏈輪與復(fù)脫上攪龍連接，并在輸送鏈條上面安裝刮板，將攪龍輸送過來的稻穗刮送到復(fù)脫上攪龍端，再由復(fù)脫上攪龍輸送至脫粒滾筒，進(jìn)行二次脫粒。為了簡潔地表示出復(fù)脫機(jī)構(gòu)，我們可以通過下面的復(fù)脫機(jī)構(gòu)示意圖來認(rèn)識此機(jī)構(gòu)：
1.復(fù)脫刮板 2.復(fù)脫上攪龍軸 3.脫粒滾筒 4.復(fù)脫短介軸 5.復(fù)脫下攪龍軸
圖7 復(fù)脫機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖
1.Re-threshing off scrape 2.Re-threshing shaft on the auger 3.Threshing cylinder
4. Re-threshing short-mediated axis 5.Re-threshing shaft under the auger
Fig.7 Re-threshing
在此機(jī)構(gòu)中另外對復(fù)脫刮板進(jìn)行設(shè)計(jì)：它由刮板和膠片組成，其中膠片的作用是保護(hù)稻谷不被碾碎，其簡圖如下：
圖8 復(fù)脫刮板示意圖
Fig.8 The strike-off board of re-threshing
3.2 本章小結(jié)
本章主要是對脫粒裝置的選擇，重點(diǎn)介紹了脫粒裝置和復(fù)脫裝置，并對它們的工作原理和工作流程進(jìn)行了簡述，對主要的零部件進(jìn)行選擇。
4 主要零部件設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 脫粒滾筒的設(shè)計(jì)
由于我研究的脫粒滾筒是縱置軸流式滾筒[13]，滾筒速度可以較切流略低一些。實(shí)驗(yàn)表明，脫水稻時，圓柱滾筒的圓周速度為22-26m/s；圓錐形滾筒大端的圓周速度為28-31m/s。下表1為不同形式軸流滾筒對不同作物脫粒時對應(yīng)脫粒速度。
表1 軸流脫粒滾筒的脫粒速度[1]（m/s）
Table 1 The speed of threshing cylinder
脫粒作物
釘齒式
葉片式
紋桿-桿齒混合式
麥類
20-26
16-22
20-22
水稻
18-24*
13-19
-
大豆、玉米、高粱
7-9
10-13
-
* 秈稻采用較低，粳稻采用較高。
釘齒式脫粒滾筒裝置的主要技術(shù)參數(shù)[3]：
（1）釘齒z根據(jù)喂入量來確定：
Z≥（1-β）Q/(0.6qd) (1)
其中：qd為β=0.4時每個釘齒允許負(fù)擔(dān)的喂入量，當(dāng)凹板也帶釘齒時（對于稻麥類），采用刀齒（帶入輸送裝置的脫粒機(jī)）可取qd=0.02kg/s；對于采用刀齒
的聯(lián)合收割機(jī)：qd≈0.025kg/s。有些以脫稻為主的板刀齒滾筒，如果齒側(cè)間隙較大，或凹板不帶釘齒，所采用的qd值為上述值得50%左右，以加強(qiáng)梳刷作用。
（2）滾筒長度L和滾筒有效長度l可以由下面的式子來確定：
L=a（z/k-1）+2△L (2)
l=a(z/k-1) (3)
式（2）（3）中 K-釘齒排列的螺旋頭數(shù)，一般為3-5；
a-齒跡距，a≈2（b+dmin），b為釘齒厚度或平均厚度，b=（b1+b2）；dmin為最小脫粒間隙，一般不小于3mm，常用的a值為25-50mm。
△L-兩邊釘齒距齒板外端的尺寸，由滾筒的結(jié)構(gòu)需要確定。
滾筒長度L（或l）可以根據(jù)機(jī)器的總體設(shè)計(jì)來考慮，或者根據(jù)生產(chǎn)效率來計(jì)算：一般每個釘齒的生產(chǎn)效率為0.025-0.040kg/s，按生產(chǎn)效率，在求出總齒數(shù)以后，即可以求出滾筒的長度。
（3） 滾筒的齒端直徑D:可由下式確定
D=MS/π+2h (4)
式（4)中S-相鄰兩齒板的中心距，可以近似按弦長計(jì)算，常用值為120-200mm。
M-滾筒上的齒板數(shù)即齒的排數(shù)。
h-釘齒的高度，一般取值范圍在60-70mm之間。
（4）脫粒速度v：釘齒滾筒式脫粒滾筒裝置的脫粒速度v即滾筒釘齒端的圓周速度：
v=wr=πnD/60 (5)
式（5）中n—滾筒速度
D—滾筒釘齒頂端直徑。
根據(jù)總體尺寸的設(shè)計(jì)要求與計(jì)算核算求出并元整得：
釘齒數(shù)z=80 滾筒長度L=1375mm 滾筒有效長度l=1255mm 滾筒釘齒頂端直徑D=560mm 脫粒速度一般取v=22-26m/s 則脫粒滾筒轉(zhuǎn)速n=800-1000r/min。
4.2 凹板的設(shè)計(jì)
凹板除配合脫粒滾筒起脫粒作用外，還應(yīng)起分離脫出物的作用。使脫下的大部分稻粒能很快地分離，可以避免和減少稻粒破碎，同時也減輕了分離裝置的負(fù)擔(dān)，要提高凹板的通過性，必須盡可能地加大凹板的有效分離面積，也稱篩孔率。
柵格式凹板的篩孔率為40-70%，凹板的分離率課可高達(dá)75-90%，故柵格式凹板應(yīng)用比較普遍。柵格式凹板由橫格板，側(cè)弧板，篩條等組成，一般為整體結(jié)構(gòu)，包角ɑ超過120°的凹板分成兩段或三段制造。通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以改變凹板與滾筒的間隙。凹板上的柵格板與篩條構(gòu)成分離篩孔，橫格板均布時格板間的孔長約為30-40mm，非均布為30-50mm，篩條間孔寬為8-15mm。篩孔寬大時，稻粒破碎少而漏下的未脫凈與碎秸稈增多。橫格板應(yīng)用棱角，頂面一般高出篩條，使旋轉(zhuǎn)滾筒對作物沖擊，振動充分發(fā)揮脫粒和分離作用，高度過大易使秸稈破碎增多。
凹板面積A和凹板弧長l對脫粒裝置的脫粒分離能力有顯著影響，因而也與喂入量有關(guān)，其關(guān)系式為： A=Bl≥（1-β）q/0.6qa （6）
式（6）中 B-為凹板的寬度（m）
l-為凹板弧長（m）
q-為脫粒裝置的喂入量（kg/s）
β-喂入作物中谷粒所占重量的比率
qa-當(dāng)β=0.4時，單位凹板面積允許負(fù)擔(dān)的喂入量；對脫粒機(jī)取2.5-3，對聯(lián)合收割機(jī)5-8。要求脫粒裝置具有較高的分離性能時去最小值 ，發(fā)動機(jī)功率較大可取最大值。
凹板寬度B等于滾筒長度L，因此當(dāng)滾筒長度確定后，即可求出凹板弧長l。
弧長大脫粒分離能力加強(qiáng)，允許的喂入量增大，生產(chǎn)率提高。但相對應(yīng)的秸稈增多，功率消耗也加大。滾筒直徑一定，加大凹板弧長等于增加包角，凹板包角過大時，易使秸稈纏繞滾筒?，F(xiàn)有脫粒裝置上凹板包角ɑ多數(shù)采用90°-120°，少數(shù)達(dá)150°左右。在工作質(zhì)量滿意的前提下，凹板弧長取短些為好，一般弧長為350-700mm。
A=3.14X1.375x0.3m2=1.29525m2 （7）
B=L=1.375m
ɑ=90°
凹板弧長 l=πr=3.14x0.3m=0.942 （8）
4.3 脫粒間隙的設(shè)計(jì)
脫粒滾筒與凹板之間組成的間隙稱為脫粒間隙。為使脫粒裝置能適應(yīng)不同品種和不同的作物，脫粒間隙一般可以調(diào)節(jié)。在通常情況下脫粒間隙按一定規(guī)律變化，在進(jìn)口處的間隙大，出口的間隙小，間隙比（入口間隙與出口間隙之比）為2-4.在作物能順利喂入的條件下入口間隙可盡量調(diào)小，有利于提高脫粒裝置的工作質(zhì)量。常用的作物脫粒間隙范圍見下表：
表2 脫粒裝置的脫粒速度與脫粒間隙
Table 2 The speed and clearance of threshing
作物種類
滾筒速度（m/s）
入口間隙（mm）
出口間隙（mm）
小、大麥
27-32
16-22
4-6
水稻
24-26
16-22
4-10
釉粳
10-14
20-30
6-15
大豆
10-14
20-30
6-15
高粱
12-22
20-30
4-6
玉米
10-16
35-46
12-22
谷子
24-28
15-20
2-4
依照上表，可得出脫粒間隙為：入口間隙為20mm，出口間隙5mm。
4.4 復(fù)脫機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.4.1 復(fù)脫下攪龍的設(shè)計(jì)
復(fù)脫下攪龍的作用是將動力輸入給復(fù)脫上攪龍并且將未脫凈的稻穗（通過風(fēng)機(jī)的拋揚(yáng)原理，掉落在復(fù)脫下攪龍槽內(nèi)）輸送至攪龍另一端，中間部分由攪龍軸和螺旋葉片構(gòu)成。根據(jù)使用的場合不同，其機(jī)構(gòu)形狀也有所不同。用于輸送、裝料的攪龍一般為圓柱形，螺距都相等。這種攪龍軸與葉片一般分別制造，然后通過焊接或者其它連接。主要設(shè)計(jì)參數(shù)有外徑D、軸徑d和螺距S。設(shè)計(jì)時，外徑D可以根據(jù)使用要求確定。軸徑d的大小與多種因素有關(guān)，軸徑太小，對輸送不利，還會增加葉片的制造難度。軸徑太大，顯得笨重，結(jié)構(gòu)不緊湊。據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦取d=（0.2-0.35）D.螺距S可以根據(jù)產(chǎn)生效率確定，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，一般來說，螺距越小，效率越低。但螺距增大到一定程度后，效率不會再隨螺距的增大而提高，反而降低。通過資料顯示[8]推薦取S=（0.8-1）D。
速度分析：
在攪龍的作用下，物料輸送過程中，既有沿軸向的直線運(yùn)動，又有繞軸線轉(zhuǎn)動。速度分析如下圖所示。
圖9 攪龍輸送速度分析
Fig 9 The speed of screw feeder
垂直于螺旋葉片的理論速度：
Va=v.cosɑ=（nS/60)cosɑ （9）
式（9）中：ɑ-螺旋升角
如下圖可知，ɑ與r之間的關(guān)系為
圖10 螺旋升角與半徑
Fig.10 Spiral angle and radius
tanɑ=S/2πr （10）
R-螺旋葉片上任意一點(diǎn)所在的圓周半徑。
考慮摩擦后的物料輸送速度：
由于螺旋葉片在旋轉(zhuǎn)中推動物料時，物料與葉片之間有摩擦，其輸送動力和輸送速度受摩擦角的影響。因此，考慮摩擦后葉片推動物料的速度為：
Vβ=va/cosɑ=(nScosβ)/(60cosβ) （11）
則物料實(shí)際輸送速度（軸向速度）為
Vf=vβcos（ɑ+β） （12）
利用三角函數(shù) 可以解得
Uf=（nS/60）cos2ɑ（1-ftanɑ） （13）
式（13）中： f-物料與螺旋葉片之間的摩擦系數(shù),f=tanβ
最佳螺距：
通過計(jì)算機(jī)編程計(jì)算[32]，可以輸入已知參數(shù)D、d、f后，可以得到結(jié)果，例如下表所示。
表3 螺距計(jì)算舉例
Table3 The calculate pitch of screw
序號
攪龍直徑D（mm）
軸徑d（mm）
摩擦系數(shù)f
最佳螺距S0(mm)
1
74
20
0.6
92.6
2
74
20
0.8
77.2
3
74
20
1
65.5
4
74
20
1.2
56.6
5
74
20
1.7
41.7
6
74
25
1
67.5
7
40
12
1
35.9
8
60
16
1
53.1
9
100
25
1
87.9
由以上分析計(jì)算可知，當(dāng)攪龍外徑和軸徑確定后，合理的攪龍螺距值與輸送物料的摩擦系數(shù)有關(guān)。對于摩擦系數(shù)較大的物料，粗略設(shè)計(jì)S
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